DOI: https://doi.org/10.1186/s12917-024-03966-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38500172
تاريخ النشر: 2024-03-18
المؤلف: Eman Zahran وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثيرات جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) المستخرجة من الطحالب الدقيقة *Pediastrum boryanum* على الاستجابة المناعية وسلامة الأمعاء في سمك البلطي النيلي. خلال تجربة تغذية استمرت 8 أسابيع، تم إعطاء الأسماك حميات مدعمة بـ SeNPs بتركيزات 0 و0.75 و1.5 ملغ/كغ، مع نتائج تشير إلى أن SeNPs قللت بشكل كبير من مستويات الفوسفاتاز القلوي (ALP) وديهيدروجيناز اللاكتات (LDH) والكوليسترول، بينما زادت من مستويات البروتينات الدهنية عالية الكثافة (HDL). ومن الجدير بالذكر أن تركيز السيلينيوم في الأنسجة زاد بطريقة تعتمد على الجرعة، وأن أعلى جرعة (1.5 ملغ/كغ) أدت إلى زيادة كبيرة في التعبير الجيني للإنترلوكين 8 (IL-8) والإنترلوكين 1 بيتا (IL-1β)، إلى جانب تعزيز التعبير عن الجينات المرتبطة بمضادات الأكسدة مثل اختزال الجلوتاثيون (GSR) واصطناع الجلوتاثيون (GSS).
تشير النتائج إلى أن إضافة SeNPs تؤثر بشكل إيجابي على الجهاز المناعي وصحة الأمعاء في سمك البلطي النيلي، خاصة عند جرعة 1.5 ملغ/كغ، دون التسبب في ضرر خلوي كما يتضح من مستويات مستقرة من مستضد نواة الخلايا المتكاثرة (PCNA) وتعبير الجين الخاص بالكاسبيز-3. بالإضافة إلى ذلك، كشفت الفحوصات النسيجية عن عدم وجود تغييرات مميتة، وكان هناك زيادة ملحوظة في خلايا الجوبلت المنتجة للموسين. بشكل عام، تستنتج الدراسة أن SeNPs البيولوجية يمكن أن تعزز بشكل فعال المناعة واستدامة سمك البلطي النيلي عند إضافتها إلى نظامهم الغذائي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات التي تطرحها زيادة تربية الأحياء المائية وتفشي الأمراض، مما يستدعي استكشاف استراتيجيات مبتكرة مثل إضافة جزيئات النانو (NPs) إلى العلف. من بين هذه الاستراتيجيات، يتم التأكيد على التخليق الحيوي الأخضر لجزيئات النانو المعدنية، وخاصة جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs)، لنهجها الصديق للبيئة، باستخدام مذيبات غير سامة ومواد مختزلة قابلة للتحلل البيولوجي. السيلينيوم، وهو معدن نادر أساسي للأسماك، يلعب دورًا حيويًا في الوظائف الأيضية والدفاع المضاد للأكسدة، حيث تؤدي النقص إلى زيادة القابلية للإصابة بالأمراض ومشاكل النمو. ومع ذلك، يمكن أن يكون السيلينيوم المفرط سامًا، مما يتطلب دمجه بعناية في النظام الغذائي.
تركز الدراسة على إمكانية الطحلب الأخضر *Pediastrum boryanum* في تخليق SeNPs، والتي لم يتم دراستها سابقًا في الأسماك. يُلاحظ أن هذا الطحلب يتميز بنموه السريع وإنتاجه لمستقلبات ثانوية مفيدة، مما يجعله مرشحًا واعدًا لتعزيز الاستجابة المناعية لسمك البلطي النيلي (*Oreochromis niloticus*). تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات SeNPs المستخرجة من *P. boryanum* على الاستجابة المناعية للبلطي من خلال مؤشرات حيوية متنوعة، بما في ذلك المعلمات الكيميائية الحيوية في المصل وتعبير الجينات المتعلقة بالوظيفة المناعية، مما يساهم في تحسين إدارة الأمراض في تربية البلطي، وهو أمر حيوي للأمن الغذائي في مصر.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم تربية سمك البلطي النيلي تحت ظروف مضبوطة لتقييم تأثيرات جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) على نموهم. تم إعداد علف الأسماك في المختبر باستخدام نظام غذائي أساسي، مع دمج SeNPs بتركيزات 0 و0.75 و1.5 ملغ/كغ، وفقًا للإرشادات التي وضعتها المجلس الوطني للبحوث (NRC). تلقت مجموعة التحكم نظامًا غذائيًا أساسيًا يحتوي على سيلينيوم غير عضوي (Na₂SeO₃) بتركيز 0.2 ملغ/كغ، بينما تم تزويد المجموعات التجريبية بـ SeNPs بالتركيزات المحددة. تم إعداد العلف عن طريق خلط مكونات النظام الغذائي مع الجيلاتين والماء المعقم، مما شكل معجونًا صلبًا تم تشكيله بعد ذلك إلى كريات وتجفيفه.
تم تخصيص 180 سمكة بلطي نيلي صحية، بمتوسط وزن 54-57 غرام، عشوائيًا إلى ثلاث مجموعات تجريبية، تم تكرار كل منها ثلاث مرات (20 سمكة لكل حاوية) داخل حاويات قياس 200 × 500 × 100 سم. تم تربية الأسماك في مزرعة سمكية خاصة في مصر، مع مراقبة دورية كل أسبوعين لمعايير جودة المياه، بما في ذلك درجة حرارة مستقرة تبلغ 26 درجة مئوية، ومستويات الأكسجين المذاب بين 6.7-6.9 ملغ/لتر، ودرجة حموضة 7.3 ± 0.2. تم إجراء تبادل يومي للمياه بنسبة 10%، وخلال مرحلة التكيف، تم إطعام الأسماك النظام الغذائي الأساسي مرتين يوميًا بمعدل 3% من كتلتها الحيوية. تم إجراء التجربة على مدى فترة 8 أسابيع، مع تسجيل أوزان الأسماك كل أسبوعين لضبط كميات التغذية وفقًا لذلك.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل الذي تم إجراؤه. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات قيد البحث، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد الفرضية الصفرية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق كان له تأثير قابل للقياس على المتغير التابع، مع حساب أحجام التأثير لتوفير مزيد من الرؤية حول الأهمية العملية للنتائج. توضح التمثيلات البيانية، مثل المخططات والرسوم البيانية، الاتجاهات الملحوظة، مما يعزز الاستنتاجات المستخلصة من التحليل الكمي. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم معرفة قيمة في هذا المجال، داعمة الفرضيات المقترحة ومقترحة طرقًا للبحث المستقبلي.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الاعتبارات الأخلاقية والأساليب المستخدمة في الدراسة، مع التركيز على التخليق الحيوي وتوصيف جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) المستخرجة من الطحلب *Pediastrum boryanum*. التزمت الدراسة بالإرشادات الأخلاقية المعتمدة من لجنة رعاية واستخدام الحيوانات بجامعة المنصورة، مما يضمن معاملة إنسانية للأسماك خلال التجربة. استخدمت عملية الاستخراج جهاز Bio-Nano Apparatus مبتكر، مما سهل التخليق الفعال لـ SeNPs من خلال تقليل أيونات السيلينيوم بواسطة المركبات الفينولية الموجودة في مستخلص الطحالب. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) وحيود الأشعة السينية (XRD)، التكوين الناجح لجزيئات SeNPs كروية وأخرى رباعية، بحجم يتراوح بين 72.16 نانومتر إلى 89.45 نانومتر، مع وجود جهد زتا قدره -11.7 مللي فولت، مما يدل على الاستقرار.
تشير النتائج إلى أن إضافة SeNPs إلى النظام الغذائي زادت بشكل كبير من توافر السيلينيوم الحيوي في عضلات سمك البلطي النيلي، مع زيادة تعتمد على الجرعة في مؤشرات الكيمياء الحيوية في المصل، بما في ذلك أنشطة الفوسفاتاز القلوي (ALP) وديهيدروجيناز اللاكتات (LDH). ومن الجدير بالذكر أن معالجة SeNPs أدت إلى تحسين ملفات الدهون، حيث تم تقليل مستويات الكوليسترول وزيادة مستويات البروتينات الدهنية عالية الكثافة (HDL). علاوة على ذلك، تم تنظيم التعبير عن الجينات المؤيدة للالتهابات ومضادات الأكسدة، مثل IL-1β وIL-8 وGST وGPx، بشكل كبير استجابةً لـ SeNPs، مما يشير إلى تأثير مناعي معزز وقدرة مضادة للأكسدة. كشفت التحليلات الهيستومورفومترية عن عدم وجود تغييرات هيستوباثولوجية سلبية، مما يدل على سلامة إضافة SeNPs. بشكل عام، تؤكد الدراسة على إمكانية استخدام SeNPs المستخرجة من الطحالب كمكمل غذائي مفيد لتعزيز صحة واستجابة المناعة لسمك البلطي النيلي، مع معالجة الحاجة إلى مستويات مثلى من السيلينيوم في ممارسات تربية الأحياء المائية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12917-024-03966-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38500172
Publication Date: 2024-03-18
Author(s): Eman Zahran et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
The research investigates the effects of selenium nanoparticles (SeNPs) synthesized from the microalga *Pediastrum boryanum* on the immune response and intestinal integrity of Nile tilapia. Over an 8-week feeding trial, fish were given diets supplemented with SeNPs at concentrations of 0, 0.75, and 1.5 mg/kg, with results indicating that SeNPs significantly reduced serum alkaline phosphatase (ALP), lactate dehydrogenase (LDH), and cholesterol levels, while increasing high-density lipoproteins (HDL). Notably, tissue selenium concentration increased in a dose-dependent manner, and the highest dose (1.5 mg/kg) led to significant upregulation of interleukin 8 (IL-8) and interleukin 1 beta (IL-1β) gene transcription, alongside enhanced expression of antioxidant-related genes such as glutathione reductase (GSR) and glutathione synthetase (GSS).
The findings suggest that SeNPs supplementation positively influences the immune system and intestinal health of Nile tilapia, particularly at the 1.5 mg/kg dosage, without causing cellular damage as evidenced by stable levels of proliferating cell nuclear antigen (PCNA) and caspase-3 gene expression. Additionally, histological examinations revealed no apoptotic changes, and there was a notable increase in mucin-producing goblet cells. Overall, the study concludes that biogenic SeNPs can effectively enhance the immunity and sustainability of Nile tilapia when incorporated into their diet.
Introduction
The introduction highlights the challenges posed by aquaculture intensification and disease outbreaks, prompting the exploration of innovative strategies such as feed supplementation with nanoparticles (NPs). Among these, the green biosynthesis of metal nanoparticles, particularly selenium nanoparticles (SeNPs), is emphasized for its environmentally friendly approach, utilizing non-toxic solvents and biodegradable reducing agents. Selenium, an essential trace mineral for fish, plays a critical role in metabolic functions and antioxidant defense, with deficiencies leading to increased disease susceptibility and growth issues. However, excessive selenium can be toxic, necessitating careful dietary incorporation.
The research focuses on the potential of the green microalga *Pediastrum boryanum* for synthesizing SeNPs, which has not been previously studied in fish. This microalga is noted for its rapid growth and production of beneficial secondary metabolites, making it a promising candidate for enhancing the immune response of Nile tilapia (*Oreochromis niloticus*). The study aims to investigate the effects of *P. boryanum*-derived SeNPs on tilapia’s immune response through various biomarkers, including serum biochemical parameters and gene expression related to immune function, thereby contributing to improved disease management in tilapia farming, which is vital for food security in Egypt.
Methods
In this study, Nile tilapia were reared under controlled conditions to assess the effects of selenium nanoparticles (SeNPs) on their growth. The fish feed was formulated in the laboratory using a basal diet, with SeNPs incorporated at concentrations of 0, 0.75, and 1.5 mg/kg, following the guidelines set by the National Research Council (NRC). The control group received a basal diet containing inorganic selenium (Na₂SeO₃) at 0.2 mg/kg, while the experimental groups were supplemented with SeNPs at the specified concentrations. The feed was prepared by mixing the dietary components with gelatin and sterilized water, forming a stiff paste that was then pelleted and dried.
A total of 180 healthy Nile tilapia, averaging 54-57 g, were randomly assigned to three experimental groups, each replicated in triplicate (20 fish per hapa) within hapas measuring 200 × 500 × 100 cm. The fish were cultured in a private fish farm in Egypt, with biweekly monitoring of water quality parameters, including a stable temperature of 26 °C, dissolved oxygen levels between 6.7-6.9 mg/liter, and a pH of 7.3 ± 0.2. Daily water exchanges of 10% were conducted, and during the acclimatization phase, fish were fed the basal diet twice daily at a rate of 3% of their biomass. The experiment was conducted over a period of 8 weeks, with fish weights recorded biweekly to adjust feeding quantities accordingly.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis conducted. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied had a measurable impact on the dependent variable, with effect sizes calculated to provide further insight into the practical significance of the findings. Graphical representations, such as plots and charts, illustrate the trends observed, reinforcing the conclusions drawn from the quantitative analysis. Overall, the results contribute valuable knowledge to the field, supporting the proposed hypotheses and suggesting avenues for future research.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the ethical considerations and methodologies employed in the study, focusing on the biosynthesis and characterization of selenium nanoparticles (SeNPs) derived from the microalga *Pediastrum boryanum*. The study adhered to ethical guidelines approved by the Mansoura University Animal Care and Use Committee, ensuring humane treatment of fish during experimentation. The extraction process utilized a novel Bio-Nano Apparatus, which facilitated the efficient synthesis of SeNPs through the reduction of selenium ions by phenolic compounds present in the algal extract. Characterization techniques, including transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction (XRD), confirmed the successful formation of spherical and tetragonal SeNPs with a size range of 72.16 nm to 89.45 nm, exhibiting a zeta potential of -11.7 mV, indicating stability.
The findings indicate that dietary supplementation of SeNPs significantly enhanced selenium bioavailability in the musculature of Nile tilapia, with a dose-dependent increase in serum biochemical indices, including alkaline phosphatase (ALP) and lactate dehydrogenase (LDH) activities. Notably, the SeNPs treatment resulted in improved lipid profiles, characterized by reduced cholesterol and increased high-density lipoprotein (HDL) levels. Furthermore, the expression of pro-inflammatory and antioxidant genes, such as IL-1β, IL-8, GST, and GPx, was significantly upregulated in response to SeNPs, suggesting an immunomodulatory effect and enhanced antioxidant capacity. Histomorphometric analyses revealed no adverse histopathological changes, indicating the safety of SeNPs supplementation. Overall, the study underscores the potential of algal-derived SeNPs as a beneficial dietary supplement for enhancing the health and immune response of Nile tilapia, while also addressing the need for optimal selenium levels in aquaculture practices.